Geotermisk energi -Ett arbete om geotermisk energi av; Erica Liljestrand och Linnéa Törnevik CNG96, Curt Nicolin Gymnasiet 1998 1
Sammanfattning Geotermisk energi är radioaktivt sönderfall som pågår i jordens inre som ger upphov till värme värme från solen, som lagras i jordytan. Värmen som alstras av det radioaktiva sönderfallet värmer vatten som finns i bergets por- och spricksystem och det är det här vattnet som vi utnyttjar för att t.ex. driva en ångturbin. Vi har också kommit till insikt om att det finns mycket att göra på området. När borrtekniken utvecklats, kommer geotermisk energi förhoppningsvis att bli tillgängligt över hela jorden. Det finns väldigt mycket outnyttjad värmeenergi, och den begränsansande faktorn är i huvudsak tekniken. Potentialen för hur mycket energi man kan utvinna är också olika från plats till plats. Medeltemperaturgradienten (i medeltal hur stor temperaturökningen är per längdenhet) är 30 o C/km (den temperatur som brukar anges). I Sverige är den mellan 10 o C/km och 30 o C/km och därför lämpar sig den geotermiska energin som finns här för uppvärmning av hus o.d. I vulkaniska områden så kan temperaturgradienten vara högre än 100 o C/km och där kan man använda den geotermiska energin till generering av elektricitet. Geotermisk energi är relativt miljövänligt förutsatt att man handskas med det på rätt sätt d.v.s. Vattnet som pumpas upp kan också innehålla betydande delar vätesulfider, koldioxid, metan, ammoniak, helium, järn och andra mineraler och gaser Om de kommer ut i litosfären bidrar de till vatten- och luftföroreningar. 2
Innehåll 4 Vad är geotermisk energi och var kommer den ifrån? 4 Kommer den ta slut? 4 Hur har man nyttjat den geotermiska energin genom tiderna? 4 Hur nyttjar man den idag? 4-5 Hydrotermisk energi 5 Jordvärme 5 Brines - komprimerad vätska 5 Het bergrundsenergi 6 Magma 6 Var på jorden finns geotermisk energi? 6 Hur stor installerad kapacitet finns det idag? 6 Var utnyttjas den? 7 Kan det utökas? 7 Varför utökas det inte ännu mer? 7 Kostnad 7-8 Argument för att utöka 8 Hur ser läget ut i Sverige? 8-9 Hur anläggningen i Lund fungerar och vad som ingår i den 9 Vilka länder I Europa nyttjar geotermisk energi? 10 Miljöaspekter 10 Lämpar sig Stals turbiner 10 Kort om Nesjavellir 11 Referenser 3
Geotermisk energi Ordet geotermisk energi kan härledas från jorden (geo) värme (termisk) alltså jordvärme. Vad är geotermisk energi och var kommer den ifrån? Det är energi i jordens inre. Det pågår sönderfall av radioaktiva ämnen i jordens inre; därav ett energiflöde inifrån. Merparten av värmen lagras i berget och i det vatten som fyller ut bergets por- och spricksystem. Geotermisk energi innefattar också den värmeenergi som solens strålning alstrar och som lagras temporärt i jordskorpan. Tillgångarna är mycket stora. I praktiken kan endast en bråkdel utvinnas, men det är ändå tillräckligt för att ge ett tillskott till energiförsörjningen. (http://hem.passagen.se/jogu/geoterm.htm) Kommer den ta slut? Någon gång kommer den att ta slut, men det är inget som vi behöver bekymra oss över - lika lite som vi behöver bekymra oss över att solen ska slockna. Hur har man nyttjat den geotermiska energin genom tiderna? Människan har i årtusenden nyttjat geotermisk energi i form av bad, matlagning, medicinska behandlingar och även för att värma bostäder i vissa fall. Hur nyttjar man den idag? Det finns fem olika typer av geotermisk energi; Hydrotermisk energi Hydrotermiska reservoarer är stora hålrum i den porösa berggrunden som är fyllda med ånga eller hett vatten. Den hydrotermiska energin utnyttjas genom att man låter vatten eller ånga driva en turbin som i sin tur driver en elektrisk generator. Het ånga är ovanligt; i de flesta kraftverk är det hett vatten som nyttjas. Man använder olika tekniker för att utnyttja hett vatten eller ånga. Het torr ånga Ångan leds rakt in i turbinen och man slipper då kostnaden för 4
kokarna som används i konventionella kraftverk som drivs t.ex. på kol eller naturgas Hett vatten Hett vatten med temperaturer över 200 o C tas tillvara genom att man sprutar in vattnet i en lågtryckstank. Vattnet förångas då och ångan leds sedan in i turbinen. Varmt vatten Källor med temperaturer under 200 o C tas tillvara genom att vattnet får förånga en annan vätska, som i sin tur får driva turbinen. Jordvärme Jordvärme är värme som finns på grunt djup. Används direkt för uppvärmning eller kyla hem och kommerciella byggnader genom direkt användning såsom geotermiska värmepumpar och fjärrvärme nät. Denna form av värme finns över hela jorden till skilnad från andra geotermiska energislag. Brines - Komprimerad vätska (utblandad med något annat) Brines är hett, trycksatt vatten innehålande löst metan. Både metanet och vattnet kan användas för att generera el. Het bergrundsenergi Het bergrundsenergi består av het ogenomtränglig berggrund. För att utnyttja denna energi, måste man pumpa ner trycksatt vatten till berggrunden för att vidga de exsisterande sprickorna och skapa en underjordisk reservoar med hett vatten eller ånga. 5
Magma Magma är smält berg som man kan hitta i jordskorpan. Magman kan ha så hög temperatur som 3000-5000 o C. (U.S. Department of Energy.) Även om det finns magma på åtkomligt djup så finns det ännu inget sätt att utvinna energin ur den. Idag används endast två av dessa former kommerciellt, jordvärme och hydrotermisk energi (sötvatten). För att det ska bli möjligt för oss att utnyttja de andra formerna, måste avancerad teknologi utvecklas. (Hazen, 1998) Var på jorden finns geotermisk energi? Geotermisk energi finns över hela jordklotet i form av varma vattenreservoarer och heta berggrunder (och magma som i vissa vulkaniska områden tränger upp till de övre jordlagren) den stora frågan är bara om det är möjligt och lönsamt att utnyttja den. Temperaturgradienten varierar kraftigt mellan olika områden på jorden. (Med temperaturgradient menas ökningen i temperatur per avståndsenhet.) Medeltalsgradienten över jorden är 30 /km. I Sverige är den 10-25 /km. Hur stor installerad kapacitet finns det idag? Uppskattningsvis så finns en installerad kapacitet på 7,000 MW elektricitet i ett 20- tal länder, om vi räknar med en beläggning på 97%, vilket de flesta geomtermiska krafverken har (se var diagrammet nedan) så blir det är ca 60TWh per år (http://marin.org/npo/geo/pwrheat.html) och ca 11,300 MW termisk energi världen över, det blir ca 96TWh per år om vi gör samma antagande här som för elektriciteten, för direkt uppvärmning med en temperatur över ca 35 o C. För jämförelsens skull, så är Sveriges årliga elförbrukning på ca 140 TWh och då skulle den geotermiskt utvunna elen världen över täcka endast 43% av Sveriges totala elförbrukning. (http://solstice.crest.org/renewables/geothermal/grc/supply.html). Var utnyttjas den? Exempelvis så har de geotermiska kraftverken i USA idag en kapacitet på ca 2700 MW - tillräckligt mycket för att förse mer än 3.5 miljoner människor med elektricitet. Kraftverket "the Geysers" i norra Californien - världens största geotermiska kraftverk - genererar mer än 1700 MW elektricitet, 7% av det totala elektricitetsbehovet i Californien. Geyser kraftverket har en beläggning på 99%. Generellt för geotermianläggningar ligger den siffran på 95% och över, medan den för kolkraftverk och kärnkraftverk ligger på 60-75 %. Detta innebär att kapacitetsfaktorn för 6
geotermianläggningar är den högsta av alla typer av kraftanläggningar. Kan det utökas? Ja, det kan utökas, med 1000-tals megawatt bara från idag upptäckta vattenreservoarer. Med utvecklad borrteknik som skulle tillåta oss att borra ännu djupare, skulle ännu mer värme kunna utvinnas från den heta berggrunden och då skulle geotermisk energi kunna bli tillgänglig överallt. Varför utökas det inte ännu mer? Det svårt att svara på det, men vi tror att det beror på b.l.a.; Höga investeringskostnader Risker Skiftande tillgänglihet/brist på teknik De höga investeringskostnaderna består i att lokalisera, provborra och analysera källan och därefter bygga en ganska omfattande anläggning, särskilt då infrastrukturen under marken är komplicerad. Idag borrar man oftast i vulkaniska områden, där det finns risk för jordbävningar som skulle kunna förstöra anläggningen. P.g.a bristande teknik är man begränsad till att borra mest i vulkaniska områden - därav skiftande tillgänglighet. Kostnad Kostnaden för geotemisk el varierar runt om i världen. (På vissa ställen, som här i Sverige kan man inte få ut elekticitet från geotermisk energi.) Idag kostar elen i USA för konsumenten mellan 40 och 65 öre per kwh. Kostnaden förväntas minska vartefter bättre teknik utvecklas. U.S. Department of Energy arbetar på att ta fram geotermianläggningar som genererar el för 24 öre/kwh. En så låg kostnad förväntas resultera i ytterligare 15 000 MW i nyinstalleringar inom en följande tioårsperiod. Det finns gott och väl hydrotermiska TWh/år Jämförelse energireservoarer i USA för att bygga dessa anläggningar på. (Identifierade källor - vilka uppskattas utgöra en femtedel av befintliga reservoarer i USA - beräknas kunna ge flera tusen megawatt mer än vad som i dagsläget nyttjas.) (http://www.eren.doe.gov/geothermal/gep.html) Argument för att utöka Den miljöförstöring fossila bränslen åsamkar idag går inte att uppskatta i pengar, därför kan man inte jämföra det egentliga priset på energi utvunnen från fossila 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Elektricitet Värmeenergi Sveriges elförbrukning 7
bränslen och priset för energin från geotermiska källor. Det enda vi kan säga är att vi i det långa loppet vinner på att välja miljövänliga alternativ. Hur ser läget ut i Sverige? I Sverige måste man gå djupt för att hitta högre temperaturer och på p.g.a. borrningskostnader är det bara lönsamt att utvinna geotermisk energi där grunden består av porös sandsten eller sand. Det är heller inte möjligt att borra i all slags berggrund med den borrteknik som finns idag. Nästan uteslutande krävs värmepump för att tillgodogöra sig energin och då i form av fjärrvärme (till bostadsuppvärmning). De bästa förutsättningarna finns i Skåne men förutsättningar finns även i Vätternsänkan, i Siljanstrakten (Siljansringen) och på Gotland. Endast i sydvästra Skåne (när det gäller Sverige) är det tekniskt möjligt att utvinna mer värme än det lokala värmebehovet. Ungefär hälften av Lunds fjärrvärme kommer från geotermisk energi, sedan 1984. Hur anläggningen i Lund fungerar och vad som ingår i den. I Lund pumpas 21-gradigt vatten upp ur djupa brunnar som sträcker sig 600-750 m ner i marken. Vattnet leds till två värmepumpar, där värmeenergin förädlas och tillförs fjärrvärmenätet. Vattnet (nu ca 4 grader kallt) transporteras sedan via injekteringsbrunnar tillbaks till den geologiska formationen varifrån det kom. Vattnet, som innehåller mer än bara vatten, går runt i ett slutet system under 3 bars tryck. Detta för att gaser och salter inte ska läcka ut i naturen eller oxidera och därav ge upphov till korrosion i anläggningen.. Övertrycket håller också gaserna bekvämt lösta i vattnet. Den geotermiska anläggningen i Lund har relativt lågt tryck och temperatur (beroende på det grunda djupet och den låga temperaturgradienten), vilket gör att risken för haveri är relativt låg. Vattnet blir också lättare att hantera ur driftsynpunkt. Ledningarna som sammanbinder geotermisystemet är tillverkade av sandglasfiberarmerade rör och har en sträckning på drygt sex kilometer. De två eldrivna värmepumparna har en maxkapacitet på 20 MW resp. 27 MW. Årsvärmefaktorn är 3 vilket innebär att Lunds energiverk får ut 3 gånger mer energi än vad som tillförs. 8
1. Förångare 2. Tvåstegsturbinkompressor 3. Elmotor 4. Växel 5. Kondensor 6. Avspänningskärl 7. Geotermivattenpump 8. Fjärrvärmepump 9. Avstängningsventil 10. Högtrtycksexpansionsventi 11. Lågtrycksexpansionsventil 12. Fjärrvärmesystem 13. Geotermalvattensystem Kostnader för produktion av geoenergi jämfört med annan. I Lund så är priset på att tillverka fjärrvärme med geotermisk energi 1/3 av priset att tillverka samma mängd fjärrvärme med olja. Alltså lönar sig anläggningen så länge den inte behöver rustas upp. Får de bidrag? Nej. Kan de utöka? Möjligheterna finns, men det skulle inte löna sig att göra det idag. När de byggde anläggningen var priset på olja högre och då lönade det sig. Idag är priset lägre och det skulle inte löna sig att utöka. Anläggningen kommer nog finnas kvar i ca 10 år till, då kommer de bli tvugna att byta ut värmepumparna och rören p.g.a. korrosioner och föråldring. Då kommer det inte längre löna sig att ha kvar anläggningen. (Olsson 1998, Lunds energi ) Vilka länder i Europa nyttjar geotermisk energi? Genereringskapacitet i MW per land och år 742,0 750,0 600,0 http://www.de mon.co.uk/ geosci/igahome.html MW/år 450,0 300,0 1990 1995 1998 150,0 0,0 Frankrike (Guadeloupe) 4,2 Island 80,0 Italien Portugal (Azorez) Land 8,0 11,0 21,0 Ryssland Turkiet 9
Miljöaspekter Mediet som pumpas upp innehåller vatten, men kan också innehålla betydande delar vätesulfider, koldioxid, metan, ammoniak, helium, järn och andra mineraler, gaser och andra De bidrar till vatten och luftföroreningar. Dagens anläggningar för utvinning av geotermisk energi pumpar tillbaks det förorenade vattnet. Men oundvikligen dessorienterar sig en del av det förorenade vattnet bort från processen, så att vatten måste tillsättas vid nedpumpningen, för att undvika störningar i berggrunden. (Hazen, 1996) Lämpar sig Stals turbiner? Stal var inblandat i ett projekt på Island, Nesjavellir, för att leverera ångturbiner till en geotermianläggning - men de ansågs okvalificerade på ett ganska tidigt stadium. Stal fick inte ens lämna offert. Anledningen till det, var att de turbiner som Stal tillverkar är för klena för att klara av anfrätning och korrosioner som det förorenade vattnet som tas upp vid utvinnning av geotermisk energi ger upphov till. Dessutom har de ingen tidigare erfarenhet på det här området. Stal anser att än så länge är marknaden för liten för de ska satsa på robusta turbiner för utvinning av geotermisk energi. Kort om Nesjavellir Nesjavellir är en geotermisk källa som är en del av vulkanen Hengill. Temperaturgradienten I området är 125 /km. Berggrunden vid ytan är ca 100. Efter omfattande undersökningar av området beslutade Reykjaviks Uppvärmningsmyndighet 1990 att bygga en kraftstation där. Nesjavellir s kraftstation är byggd för en maxkapacitet på 400 MW, men den nuvarande utnyttjade kapaciteten är 200MW. Hett vatten (350 ) tas upp från två kilometers djup. Flödet är 500-800 liter per sekund, och leds I pipelines till lagringstankar som rymmer 18 000m3. Vattnet som tas upp ur den geotermiska reservoaren cirkulerar I ett slutet system. (S k binary plant.) Värmen som tas up används för uppvärmning av lokaler och vatten I Reykjavikområdet. 10
Referenser 1. http://hem.passagen.se/jogu/geoterm.htm 2. Hazen, Mark, Alternative Energy 1996 3. http://marin.org/npo/geo/pwrheat.html 4. http://solstice.crest.org/renewables/geothermal/grc/supply.htm 5. Olsson, Mats,1998, anställd vid Lunds energi 6. Lunds energi, broschyrer därifrån ("Lund får energi från underjorden" och "Geotermi") 7. http://www.demon.co.uk/geosci/igahome.html 8. (http://www.eren.doe.gov/geothermal/gep.html) 11